專利名稱：一種基于數字高程模型dem的越嶺線設計方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于數字高程模型(DEM, Digital Elevation Model)的計算機自動 選線方法。本方法主要用于公路、鐵路在主要考慮地貌(地形)和坡度時的區(qū)段替代人工 選線作業(yè)。
背景技術：
數字高程模型(DEM， Digital Elevation Model)是反映地貌的地面高程點位數據與 高程和內插軟件的集合，主要用于繪制地形圖和求取地面任意點高程。其出現后應用范圍 不斷擴大，目前主要用于土建工程勘查設計中的交互式應用，包括地貌分析、景觀分析和 仿真、場地設計、平基和造價分析等?，F有的應用技術存在的主要不足是計算機只是作 為電子地形圖的可視化界面，設計方案的擬定必需借助于人工干預作業(yè)才能完成，而且交 互式應用設計人員工作量較大，沒有充分發(fā)揮DEM的作用。而目前的越嶺線的定線方法主要是在紙質地形圖上進行，由有經驗的操作人員，在確 定的控制點間進行試坡定線，根據人工放坡定出導向線，在此基礎上確定交點并配適當的 曲線要素，形成完整的越嶺線。因此該方法不僅還沒有利用DEM技術，更沒有EDM的自動 選線技術，效率很低，優(yōu)化幾乎不可能且質量難以控制。綜上所述，現有方法存在的主要問題是1、 方案數量有限，人工紙面選線方法一般只作2個方案比選，難以找到最佳方案。2、 人工紙面選線和計算機交互選線，工作業(yè)效率都比較低，沒有充分發(fā)揮計算機的 功能和作用。3、 現有方法具有較大的經驗性和主觀性，缺乏一致的標準，顧及的因素有限，也造 成方案評價困難。發(fā)明內容針對現有技術存在的上述不足，本發(fā)明的目的是提供一種能夠充分應用EDM數據的、 定線質量更高的、速度更快的計算機自動定線的方法與系統。本發(fā)明的目的是這樣實現的 一種基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，包括如下步驟(l)基于數字高程模型，建立選線區(qū)數字地面模型；(2)指定越嶺線起點和終點；(3) 對定線區(qū)域內的地貌進行分析；(4)確定埡口控制點并分段設計上行和下行線路；(5)按 平均縱坡初步拉坡；(6)平均縱坡判別；(7)緩和坡段布置；(8)交點合并調整；(9)變 坡點合并調整；(10)方案評價。相比現有技術，本發(fā)明具有如下有益效果1、 更加有效地、充分地利用計算機的功能，將目前的人工紙上定線根本無法完成的 計算工作由計算機自動完成。2、 在兩點之間設計越嶺線時能夠快速找到最優(yōu)的方案， 一般不會超過數分鐘，較人工選線提高工效數十倍。3、 選線的質量能夠保證。對給定的選線區(qū)和地形，以及給定的技術要求，能夠尋找 到既滿足線形技術要求和平縱組合最優(yōu)的條件。4、 在給定條件下能夠求得土石方量最小、造價最低的越嶺路線方案。多個項目與現 有方法對照平均較人工比選定線要節(jié)造價10 20%左右。5、 擴大了數字高程模型(DEM)的工程應用范圍，使其能夠產生直接的經濟效益。


圖1是本發(fā)明方法設計流程圖。圖2是按照本發(fā)明方法設計的越嶺線示意圖。
具體實施方式
本發(fā)明為基于數字高程模型(DEM, Digital Elevation Model)的計算機自動選線方 法。主要用于公路、鐵路在主要考慮地貌(地形)和坡度時的區(qū)段替代人工選線作業(yè)，具 有實用、快捷之優(yōu)點。如圖1所示，本發(fā)明基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，包括如下步驟-(1) 基于數字高程模型DEM，建立選線區(qū)數字地面模型；(2) 指定越嶺線起點和終點；(3) 對定線區(qū)域內的地貌進行分析，主要是根據地面標高進行坡度分區(qū)，劃分出平緩 區(qū)、中等坡度區(qū)、陡坡區(qū)和懸崖峭壁區(qū)；(4) 確定埡口控制點，主要是自動提取埡口點，并找出最低埡口點將路線分為兩段或多段。從埡口處分別設計上山和下山路線；(5) 按平均縱坡初步拉坡。拉坡(即放坡)是從坡段起點按照設計的坡度沿地面求交 線，從而找出一段路線的平面位置。在控制點間根據水平距離和高差計算平均縱坡坡度， 以低于該坡度的而且地面允許對大縱坡(坡面法向坡度)若干坡度進行試放，然后從中選 出最好的一條。將端點作為控制點繼續(xù)向前放坡。(6) 最佳線路(平均縱坡)的判別主要根據某路線的平面線形條件、地貌降坡比 例滿足情況以及挖填方量來判別。(7) 緩和坡段布置在路線放坡試坡時根據地貌自動形成。(8) 平面交點合并和調整根據地貌的放坡線是不規(guī)則的。主要將其用不同的平曲線 組合進行擬合，得到最佳擬合線形方案。對此方案進行平縱線形指標的自動分析，決定對 某些交點進行刪除和移動，以是平面線形滿足要求。(9) 縱面變坡點合并調整根據地貌生成的初步變坡點一般是地貌分區(qū)點，其位置與 平面線形不相適應，需要作調整。以消除或移動過密、坡差過小或過大、與平面配合不良 的點。參見圖2，為本發(fā)明具體實施例。某越嶺線的設計起點為西南角，設計路線將翻越某 山嶺到達終點。路線總高差約100米，長度約3公里。首先建立包括起點和終點的數字地 面模型(DEM)。在模型上指定路線起點和終點坐標。輸入平縱面頂線的技術指標和規(guī)范數 據。根據本發(fā)明的方法，由計算機自動尋找出滿足給定技術要求的路線方案(粗實線)。本發(fā)明方法由于采用自動選線設計，可完成多個越嶺線方案，并快速完成方案技術經 濟指標的分析評價，以及多個方案的對比。尤其是在數字高程模型(DEM)下，可自動生 成滿足一定定線條件的越嶺線方案(1) 自動完成坡面組成分析，進行坡面特征分區(qū)，找出一定高度以上的陡坎和懸崖。(2) 自動進行坡面特征線、特征點分析。(3) 按照坡面分區(qū)進行緩和坡段的自動布置。在各緩坡區(qū)進行緩和放坡形成新的控 制點。禁止通過區(qū)避繞，主要指特別陡峭及懸崖絕壁區(qū)、特殊用地區(qū)和其他禁行區(qū)需避繞。 自動判斷并選擇多個回頭點進行比選確定最佳點。(4) 根據地貌特征自動產生備選交點，控制點間的初始導向線自動生成。(5) 自動進行坡長檢查并調整變坡點的位置，使陡坡和緩坡的分布滿足規(guī)范要求。 進行全線土石方優(yōu)化，并使挖填方量最小。本發(fā)明在DEM上對確定的越嶺線方案的技術經濟指標自動分析方法是:根據DEM數據，采用內插與擬合方法自動采集方案沿線縱橫斷面數據，并計算挖填方量；自動獲取路線設 計技術參數值，根據規(guī)范要求和一定理論要求，判別方案的線形設計質量。坡面特征的分析方法是基于坡度分析的原理，對兩控制點間的坡面按照設定間隔進行坡向和坡度分區(qū)，并由計算機自動找出一定高度以上的陡坎和懸崖。分區(qū)的方法是，在DEM上進行局部坡度和坡向分析，在一定范圍以內計算平均變化率判別，以此進行坡面按 坡度和坡向分區(qū)，并產生分區(qū)的界線。坡面特征點線分析方法是根據上步產生的坡面分區(qū)邊界線，從中自動提取山谷線、 山脊線、分水線(反坡線)；根據山頂脊線提取各可能鞍部點，從中提出最低埡口和次低 埡口點。兩控制點間初始導向線生成的方法是兩個相鄰控制點間，從兩端按照平均坡度進行自動放坡，并將與地形特征線產生的交點作為可能交點。按照坡面分區(qū)進行緩和坡段的布置沿平均坡度線，在各緩坡區(qū)進行緩和坡段的放坡， 并形成新的控制點。交點的合并和調整在自動進行交點間長度檢查以及坡長檢査后，根據平面交點間的 間距和偏角，按照一定的準則取消、合并部分交點，并配合一定的曲線要素；根據各個自 然坡段的長度判別，按照一定的準則，合并、刪除或移動部分邊坡點，以滿足縱面線形尋 優(yōu)的要求，即使使挖填方量最小，平縱線形組合最優(yōu)。禁止通過區(qū)避繞主要指特別陡峭及懸崖絕壁區(qū)、特殊用地區(qū)和其他禁行區(qū)需避繞時， 自動在禁行區(qū)上或下邊緣產生控制點，使用1 4步程序分段進行自動尋線?；仡^曲線選址方法是當兩控制點高差很大平均坡度超過最大縱坡時，需要設回頭曲 線進行展線?；仡^點在緩坡開闊區(qū)成對布置，自動選擇多個回頭點進行比選確定最佳點算 法。以此作為新增控制點，分段進行自動尋線。
權利要求
1、一種基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，包括如下步驟(1)基于數字高程模型，建立選線區(qū)數字地面模型(2)指定越嶺線起點和終點；(3)對定線區(qū)域內的地貌進行分析；(4)確定埡口控制點并分段設計上行和下行線路；(5)按平均縱坡初步拉坡；(6)平均縱坡判別；(7)緩和坡段布置；(8)交點合并調整；(9)變坡點合并調整；(10)方案評價。
2、 根據權利要求1所述的基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，其特征在于 所述步驟(3)包括建立選線區(qū)數字地面模型，主要是進行坡面特征線、特征點分析，包 括自動提取山谷線、山脊線、分水線(反坡線)、最低埡口和次低埡口點；找出一定高度 以上的陡坎和懸崖。
3、 根據權利要求1所述的基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，其特征在于 所述步驟(7)緩和坡段布置，是在識別出各地表緩坡區(qū)內，進行緩和放坡形成新的控制 點。
4、 根據權利要求1所述的基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，其特征在于 所述步驟(9)變坡點合并調整，包括禁止通過區(qū)避繞，主要指特別陡峭及懸崖絕壁區(qū)、 特殊用地區(qū)和其他禁行區(qū)需避繞；判斷并選擇多個回頭點進行比選確定最佳點。
5、 根據權利要求1所述的基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，其特征在于 所述步驟(10)根據地貌特征產生備選交點，生成控制點間的初始導向線。
全文摘要
本發(fā)明公開一種基于數字高程模型DEM的越嶺線設計方法，包括如下步驟基于數字高程模型，建立選線區(qū)數字地面模型；指定越嶺線起點和終點；對定線區(qū)域內的地貌進行分析；確定埡口控制點并分段設計上行和下行線路；按平均縱坡初步拉坡；平均縱坡判別；緩和坡段布置；交點合并調整；變坡點合并調整；方案評價。本發(fā)明方法可有效、充分地利用計算機的功能，將目前的人工紙上定線根本無法完成的計算工作由計算機自動完成；較人工選線提高工效數十倍；而且，選線的質量能夠得到保證。在給定條件下能夠求得土石方量最小、造價最低的越嶺路線方案。
文檔編號G06T17/05GK101236665SQ20081006941
公開日2008年8月6日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權日2008年2月29日
發(fā)明者曉 馮, 唐伯民 申請人:重慶交通大學